读傅文珍《自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计》笔记

大分/kcms/detail/detailall.aspx?filename=zgdc200918004&dbcode=CJFD&dbna【作】；；；；【】ZHANGQIUofUniversityofTechnology,Guangdong【机】工大电学；【摘】耦合电无线传输是一种新的电能输概念和方它中离内传递能量。该文基于空间隔离两圈互耦模型从电路角分析统输效率与线尺寸离等间关系得到的传输效表示,进一步用统传率析以实现振耦合电能无线传输系优化计的目最,设计作个振合电能无线传输装置并计组同数线进行比较实结果证当间隔的两空线圈达谐振耦合时两线圈之间传递能量最大从验该的论究。关键】线；合；效率；；【基】然科基金目国家高基金(广东省自然学基金重点项目8251064101000014)~~【文献处】机程报Proceedings编辑部邮箱【分【】247参文献

1],国.基于电感的化内系统无线能量传输研[J].学程学.[2]王,,.电系统的工程化计[中国电机工程学报[3],张明,合感应电能分析电工电能新技术.2006(01)[4],设无电系统耦合的研电工电能新技术.2005(03)[5],高谐波电的电方[J].中国电机工学报2005(06)[6],新型无能传输系统的分析[J].中国机工程学报.2004(05)[7],,新无电能传输系的能分析工电能新技术2003(04)[8]达,,基于电的中电机程学报.2003(02)[9]王,,华.无输电技术的应用[J].空工学自然科

SQ,JesúsGC,Jordial.Wirelessofsingle-chipsystemswithintegratedcoilandwire-loop.2008[2]M,Psaltisofimaging..2007[3]Solja?i?M,,KursA,etal.Wirelesspowerviastronglycoupledmagneticresonances..[4]M.Wirelesstransferpotentiallyrechargelaptops,cellphoneswithout.2006[5]LudwingR,Bretchkocircuitand.2002[6]EH,KaralisA,ettheoryforgeneralfree-spaceresonantReview.[7]Jmid-rangeAnnalsofPhysics.2008[8]C,KhanMJ,FanS,etal.CouplingofofresonantIEEEJournalElectronics.1999[9]HiraiJunji,Kimtransmissionofpowerandinformationcablelesslineardrive.IEEETransactionsPower.2000andnewTransactionsIndustryApplications.1991怎快速删除换行的引言无传输一直人的想多来外些学执地展这研，进展甚年的学家在能线传输理有了突性展们利电磁谐振原实了距的能线传，m多距内将一个泡点亮输效率到40%右[6]谐振合电无传输与以往出的能线传输技术比，有下本性的同：1）与用磁感应原理电能线输技术相比传输离大提高，突了电感应原理的线传距仅cm以限制7]，且论表明若不虑空间其它体响，输距将进一提高；）与利微原的能线输术比具传功大特点，微波能线传输几毫至mW数级高到几十瓦至百瓦的量。目前，非接触能量无线传输发展比较成熟8-12]，要应用于磁悬浮列车13-14]，学用于内微摄像机供电[15]。此比较而言，基谐振原的电能线传输将是一应用范围更的新技16]并且低电磁辐射，可满足电磁兼容的要求。然而段谐振耦合线传输技术仍处于起步阶段理和实验研究还比缺尤传输效率的析还不够全面[18-19]文从线圈等效耦合模型出发析能线传机理及输效率与距离频率线本身等因素之间的关系出效件线输系的优化设计方法设计制多谐振耦线进行能无传输以验所提法有性为一步谐振合线量传的环制研究奠理和验基。图，高频振电和频率大路于生频率；空递量两空心圈分是LS、其中表发线圈，代表接线圈；线圈将能量应与它邻发线圈上；电阻用于测电流RL回路，载回路电抗接收线圈自谐振频率的影响做单匝线圈，这样负载回路感抗极小，也存在高线圈匝与匝之的杂散电容，容抗忽略为可认为负载回路纯电阻回路它反射线圈的阻为阻匝圈线圈上感应的能给负载供，而成整个能的线输。1.2振模为简分析，本仅对生谐振耦的两收线圈进行等效分析。由于心圈高频的寄电、电容不可略，考到线圈感应LS的及回射LD的，、的互合如图所示。其中表前应压；、RD、分别圈高频下等效寄生参数，若圈为理想，可外串谐振电容代替为负回路射LD的电阻为计方便似取为≈LD为线电感量M为感为线之距。若传输系统角频为ω，则两线圈阻抗分别：SSDDSS1jRLZRRω=++，+++ω，回路方程可求出线圈、LD等回路：式(可知合线LS两路阻发生化合抗ZDS及LD耦到阻抗ZSD分别为SDSD(M)(M)ZZZZ=。因ZD均电和电反射抗中也分别包含电阻和电抗射电阻在回路中会消耗能量，而射电抗则会影响线圈本身自谐振频率特别当两线圈距离靠互比反阻抗加大，影响更明显。为减少反射电抗对谐振频率的响，可设法令线圈、处自谐状态电抗均为路的反射阻抗分为WS(M)M)ZZRRω′=′=+，，振合后两线圈为电阻路其射线圈回等效抗ZSeql和接线圈回路等效阻ZDeql分别为2最大输效率分析及优化设计2.1效率表达由及(、(2)可知圈LS入率负电阻上的输出功可别示为则两线之间的传输效为根据两线不同的谐振耦合工作方式，可出以下效率示式：线圈均发生自谐振，即LS−DSD110Cω≠，≠，圈之靠纯粹的磁应合来传输率此线圈之的量传效率为2）当仅有线圈发谐，=，时LS、LD之间能量输效为3）当仅有线圈发谐振时，ZD=+，此时线圈之间的量传效率为4）当同自谐即两谐振耦，=RS，=RD+RW，则谐振耦合能量无传输率为比较的分母，种况下的无线能量传输效率大小依次为：与谐振耦合效LD线圈谐时率LS发振的效率及与都振效率即4>η>η>η。果说无传输系统，生谐振耦时线圈回路的等效阻最，圈流的流最，此输率大效最高。2.2谐振合最效分析和优化计式µ0为空率为导线半径r线圈半径n为匝σ导率为导线长；0为空气介；为线圈宽度；为光。对于中等距离谐振耦合的无线输电系统佳自谐振频率一般为有，忽射，圈电阻=RD≈式可为中距离谐振耦合时线圈参致保证具有相同的自谐振频率即=n，rS==，它们间互M的公[20]为将式、代式，得统传效率η距、频率ω、圈寸，，n)及电阻之的关系式。为分析方便设圈参数为0.15mm21==13mm软件Calculator(空线算可算出该参数下线圈的自谐振频率为。系传输效η与距负阻之的关系曲线如图所。由可见，在圈参确定情况，当RW固定时，着D加，η迅速下降；当距随着RW的，先增加到其最大值然后下降。如=5时，最率为，对的=Ω此在设计时根据线圈大小最传离D和负RW，之亦。图3中在圈和离的下，随的化，效率会出现一个最大值。对式导，可得当ωM)2=−，式取最大值，最大效率条件可写为由式可谐最大效率值与电阻及圈效耗阻关若>>则线圈之的输率接近100%但图3在线圈尺寸定的某传距离下只有唯一一RW使效率到最值即有符合最大效值条件传效率能最大。设时由线圈参数及需要的最大效率值求出和RW，可一计算出各应参数。例如，由可算3线圈数欧损电为4.6Ω假定要求两线圈之间最传效率为据(17)可≈Ω的代式(16)得此时互感M=0.140µH；据(15)又可出此时两线圈距D≈，图3果。从分析可看出，在该线圈尺寸为cm时效率有左右为式(可知导半越，圈数越，圈身耗阻大而这损又可避免以，在设计时应尽量选用粗导线，在保需要的谐振频情况下减少匝数采用镀银铜以增加导电率降低线圈的自身损，从而提高效。由式14)可，在样互感下，加大线圈半r可加输距。3验及析为证述振耦合电能无线传输最效分的确，本文制作了一工频为MHz的耦统圈与2.2相。实验装置如图4所示，考毕茨荡电路产生MHz高频信号，高频信号经个IRF840组成的桥挽型功放电放后输出具一定功率的正弦。频采样电阻R1=0.27Ω；高功放大电路输阻一般为50Ω线圈L1=为负载匹，取电RL≈RW=10Ω当高功率大路的直流输为A时率电出压及电阻R1两端压UR1如所。实验时，可改变线圈直径、匝数、线径、线圈长度等参数调节其自谐振频率为方便调节，本实将圈径线固定调节匝数及线长度来变圈自谐频由心线计算可准确计算出不同匝数下线圈的分布参数及自谐振频率如1。为突谐振果验时取最接近谐振率点的匝及最远离谐振点匝数进行比较即取n=41和n=60分将发线圈和接圈从谐振振，负收电压分别如示时间的距离为D=。由图6可出、从谐振到发生谐振负载电压有效值渐升高即无线传的功率逐渐增大与前分完全一致。图可知，线圈、都不发生谐振时，负载波形有点畸变，且效非常低可说是只收一点辐功；、(c)，有线圈生谐振，负载电压有效值虽然有所增加，但还是偏小；图中当线圈都发生自谐振时，两圈通过谐振传递能量大接收到功率为2.8W，此时发射线圈两端计算线输效为η×100%=32%为电能从线圈到线圈属于空线电感虑个圈间的传输耗少分的圈辐损耗可认从线圈到载际率符合论的两之间最传输率值。保持圈处谐振状态即=41改变负载阻RL及两线圈的离D时应的及最大输出峰值电压的如图所示。最大效值件论的确性，本文制作组尺寸不同但谐振频都为MHz的，=5时各线在负载匹配情况下的最大试验效率